正交实验设计精选(九篇)

第1篇：正交实验设计范文

【摘要】

目的研究复方珍珠含片的制备工艺。方法采用正交实验法，以浸膏收率、梓醇含量及甘草酸含量为指标，考察加水量、煎煮时间和煎煮次数3 因素及含醇量及醇沉浓度对浸膏收率和有限成分的影响。结果优化的提取工艺为加入24 倍水量，重复两次，每次煎煮3 h。结论优化筛选处方工艺具备良好的收率，适合于工业化生产。

【关键词】 珍珠 口含片 提取工艺 正交实验

Abstract：ObjectiveTo optimize the extraction process of compound Pearl Buccal Tablets.MethodsThe study was carried out through orthogonal experimental design ， using the yield of extractive material， the content of catalpol and glycyrrhizic acid as the guide．3 influential factors， amount of water used for the extraction （A）， time for extraction （B） and frequency of extraction（C） were studied.ResultsThe optimal conditions for the extraction were as follows：24 times water， decocting three times and three hours each time.ConclusionThe optimal conditions can provide a good yield and fits to industrial production ．

Key words：Pearl Buccal tablets； Extraction process； Orthogonal experimental design

复方珍珠含片是在古代名方“珍珠丸”基础上加减化裁而成，原方由珍珠、西瓜霜、冰片、硼砂、生地黄、甘草等组成，具有清利咽喉，消肿止痛，解毒生肌之功，用于咽喉肿痛，声哑失音，口舌生疮，牙龈肿痛或出血。其中生地黄［1］ 为玄参科多年生草本植物地黄Rehmannia glutinosa Libosch．的干燥块根，性味甘、苦，寒，归心、肝、肾经。具有清热凉血、养阴生津之功效。甘草药性平和，长于清火解毒，润肺止咳，多用以痰热咳嗽、咽喉肿痛等，其主要有效成分为甘草酸［2］ 。在复方珍珠含片的制备工艺中，甘草需同生地黄一起经煎煮，得浸膏，粉碎后加入其余成分，故本研究以浸膏收率、梓醇含量及甘草酸含量作为考察指标［3］ ，对复方珍珠含片的提取工艺进行优化。

1 　仪器与试剂

1．1 仪器RE －52C 型旋转蒸发器（巩义市英峪予华仪器厂）；YHG －40 ×45 远红外快速恒温干燥箱（上海跃进医疗器械厂）；PB203 －N 型电子天平（Produced by Mettler －Toledo Group）；DZF－6050 型真空干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）。

1．2 试剂与药材乙腈（色谱纯）、甘草、地黄（苏州天灵中药饮片有限公司）。

2 方法与结果

2．1 色谱条件［2，3］

2．1．1 甘草酸含量测定流速1．0 ml／min；流动相：乙腈（含0．1％冰醋酸）∶0．1％醋酸水溶液（33∶67）；柱温25℃；检测波长254 nm。

2．1．2 梓醇含量测定流速1．0 ml／min；流动相0．6％乙腈水溶液；柱温40℃；检测波长210 nm。

2．2 提取工艺优化

2．2．1 醇浓度影响称取甘草16 g，地黄20 g，加入15 倍量（540ml）分别为醇浓度0%，20%，30%，40%，50%，60％的醇溶液于1 000 ml 圆底烧瓶中，加热煮沸，并保持低沸2 h，停止加热，放冷后，抽滤。将滤液加入旋转蒸发仪，蒸发浓缩，并移至250 ml 容量瓶，定容，则每毫升含1．8 g 原药材，精取药液25 ml，置小蒸发皿中，水浴蒸干，于105°C 干燥3 h，移置干燥器中，冷却30 min，迅速精密称定重量。以浸出物量、梓醇含量、甘草酸含量为考察指标，综合评分：总分为100 分，浸出物占30 分，梓醇含量占35 分，甘草酸含量占35分。结果见表1。

表1 醇浓度影响实验结果（略）

结果表明，随着醇浓度的增大，浸膏收率下降，甘草酸含量升高，梓醇含量没有明显变化趋势。醇浓度影响不明显，需进一步实验证实。

2．2．2 乙醇提取次数对有效成分影响称取甘草16 g，地黄20 g，置1 000 ml 圆底烧瓶中，加入60％乙醇550 ml，加热煮沸，并保持低沸2 h，停止加热，放冷后，抽滤。将滤液加入旋转蒸发仪，蒸发浓缩，并移至250 ml 容量瓶，定容，则每毫升含1．8 g 原药材，精取药液25 ml，置小蒸发皿中，水浴蒸干，于105°C 干燥3 h，移置干燥器中，冷却0．5 h，迅速精密称定重量。

综合评分：总分为100 分，浸出物占30 分，梓醇含量占35分，甘草酸含量占35 分。结果见表2。

表2 60%乙醇提取次数对甘草酸和梓醇含量的影响（略）

结果表明，60％乙醇提取时，随提取次数增加，3 个指标也发生递增。但分值指标偏低。

2．3 水煎煮法提取工艺条件的优化

2．3．1 正交实验［4～6］ 为优化水煎煮法提取工艺的条件，选用正交实验法，考察加水量、煎煮次数、煎煮时间3 个因素，以85％ 醇出物量及甘草酸含量作为考察指标，选用L9 （34 ）表安排实验。因素水平见表3。

表3 因素水平（略）

取甘草16 g，地黄20 g，加入A 倍量水，加热煮沸，并保持低沸C 小时，停止加热，放冷后，抽滤，煎煮B 次。合并滤液，将滤液置于电炉上，蒸发浓缩，并移至250 ml 容量瓶，定容，精取药液25 ml，置小蒸发皿中，水浴蒸干，于105℃干燥3 h，移置干燥器中，冷却30 min，迅速精密称定重量。将浸出物用100 ml 85％乙醇溶解转移到锥形瓶中，超声0．5 h，过滤后将滤液分多次加入蒸发皿中，于水浴锅上蒸干后，于105℃干燥3h，移置干燥器中，冷却30 min，迅速精称重量。

综合评分：总分为100 分，85％醇出物占30 分，梓醇含量占35 分，甘草酸含量占35 分。结果见表4 ～5。

表4 正交实验结果（略）

表5 水煎煮提取工艺正交实验结果（略）

3 个因素的极差比较结果是：RB ＞RA ＞RC ，最佳工艺条件是：A因素取3 水平（A3 ），B 因素取3 水平（B3 ），C 因素取3 水平（C3 ），即采用24 倍量水，煎煮3 次，3 h／次。

表6 方差分析（略）

由方差分析表6 结果看出，A，B，C 因素的水平变化对实验结果都有显著影响。可以看出，最高得分处方为A3 B3 C3 ，即采用24 倍量水，煎煮3 次，3 h／次。从含量结果分析，煎煮两次甘草酸提取率已经可以达到甘草总量的96．3％，梓醇含量的92．1％。从企业大生产考虑，采用二次提取更为经济合理，因此取A3 B2 C3与正交实验所得得最优处方A3 B3 C3 进行重复，以确定最佳处方。

2．3.2 重复实验根据正交实验结果，按照处方组合A3 B2 C3 和A3 B3 C3 进行重复3 次，取25 ml 定容后的提取液，测定浸出物中甘草和梓醇含量，再用85％乙醇100 ml，超声0．5 h，过滤后，挥干乙醇，得醇出物量。结果见表7。

表7 重复实验结果（略）

通过重复实验的比较，确证了A3 B3 C3 条件是最佳提取条件。而处方组合A3 B3 C3与最佳提取条件A3 B3 C3相比较无显著差异，且从企业大生产考虑，采用二次提取更为经济合理，因此取A3 B3 C3 作为最优处方。

2．3．3 醇沉淀对有效成分的影响直接提取、提取后醇沉两种提取方法进行比较。根据正交试验结果，按照处方组合A3 B2 C3 进行重复3 次，取25 ml 定容后的提取液，测定浸出物中甘草和梓醇含量，再用85％乙醇100 ml，超声30 min，过滤后，挥干乙醇，得醇出物量。另取25 ml 的提取液加入浓醇，调至浓度为60％，体积控制在100 ml 以内，分别转入锥形瓶中，静置过夜，取上清液，定容至50 ml，测定梓醇、甘草酸含量。结果见表8。

表8 两种提取方法比较结果（略）

采用醇沉法，对甘草酸含量无明显影响，但是梓醇含量明显下降（P ＜0．05）。

3 讨论

本实验以复方珍珠含片中有效成分甘草酸、梓醇的含量为指标，分别考察不同浓度乙醇回流和煎煮的提取工艺可行性。结果，乙醇回流1 ～3 次获得的提取液中有效成分含量均偏低，不能将有效成分成功转移。因此，宜选择传统煎煮法作为提取工艺。实验重点对加水量、煎煮次数、煎煮时间3 个因素分别进行了单因素考察。结果，一定范围内加水量与甘草酸、梓醇含量成正比关系，且加水量大于24 倍时提取较完全；煎煮次数在二次以上即可将有效成分转移出来，煎煮时间达3 h 以上提取完全。由于中药复方制剂成分复杂，遵循“去粗取精”，即除去糟粕，留其精华，在保证有效成分不被丢失的前提下，最大可能的保留有效成分。同时，结合实际生产节约资源原则优化出适合工业化生产的生产工艺。

参考文献

［1］ 国家药典委员会．中国药典，Ⅰ部［S］．北京：化学工业出版社，2005：59，274，82

［2］ 汪程远，张 浩，孟 莉，等．HPLC 测定地黄及其制剂中梓醇的含量［J］．华西药学杂志，2003，18（2）：134．

［3］ 王兰霞，杨玲霞，张伯崇．RP －HPLC 测定五味沙棘口服液中甘草酸的含量［J］．中国药学杂志，1997，32（7）：434．

［4］ 刘　扬，龚金红，储 宁，等．RP －HPLC 法测定复方珍珠咽喉宁含片中梓醇和甘草酸含量［J］．抗感染药学，2006，3（3）：109．

第2篇：正交实验设计范文

试验设计专业实践教学方法《试验设计与研究方法》是一门理论与实践紧密联系的课程。它是以概率论、数理统计为理论基础，结合专业技术知识和实践经验，科学规划试验并迅速找到优化方案的一种科学研究方法论。

任何科学研究都离不开试验。但如何合理安排实验，科学处理实验数据是研究者首要解决的问题。一个好的试验设计，通过几次试验就能够迅速而有效地找到较优的试验结果，达到预期的目的。既能缩短试验周期，又能最大限度的节约试验经费，达到事半功倍的效果。反之，试验安排得不好，试验次数既多，效果又不理想，同时也会增加试验的成本。因此，掌握好实验设计这项基本技能，对从事自然科学的工作者尤其是理工科学生来说十分必要。

矿物加工专业是典型的工科专业，具有很强的实践性。它是研究矿物分离的一门应用技术学科。该学科所涉及的内容与不同阶段的选矿工艺实验都有密切相连。而《试验设计与研究方法》又是一门很重要的基础理论课，也是一门工具课。开设该课程的目的是使本专业学生掌握基本的试验设计方法和培养学生对实验数据的初步统计分析能力，为学生将来从事矿物加工新技术、新工艺、新产品、新设备的开发研究提供理论支撑和实践基础。因此，一名合格的矿业工程师，除要学习必要的专业知识外，还要能正确掌握试验设计与研究方法。

一、针对专业特点，选择合适授课内容，温故知新

试验设计内容丰富，应用范围非常广泛，涉及农业、林业、矿业、医学、生物、化工、食品、机械制造等各个领域，而具体的试验设计方法有很多种。因此，在教学内容组织和知识侧重点的处理上应以结合专业特色、适应行业需要为主旨，突出重点、抓住基本、有的放矢，切记面面俱到。

矿物加工专业属于工科应用型专业，其工艺实验因素及水平的选取不像生物和医学专业那样复杂，试验指标也较少。因此，可将教学重点放在各种试验设计方法的具体应用上，重点考虑单因素试验设计、正交试验设计、均匀试验设计，而其中的正交试验设计应是核心；数据的分析处理应侧重于方差分析、回归分析等。至于其他类型的试验设计及数据分析方法仅作一般性介绍，或作为学生自学内容。这样可突出重点、以点带面，让学生在有限的学时内掌握最主要、基本的试验设计方法，为今后在科研工作中的实践应用打好基础。

《试验设计与研究方法》这门课我系一般开设在第六学期，而其先修课程《概率论与数理统计》在第三学期就已经结课，由于两者相隔时间较长，必然导致一些学生忘掉了相当多的有关概念和定理，更何况有些学生根本就没学好《概率论与数理统计》这门课。如果一上来就直接讲授各种试验设计及数据分析方法，势必使一部分学生如坠云雾之中，直接影响这门课的教学效果。因此，在讲授实验设计之前，必须对先修课程中的知识点或相关概念进行必要的复习、梳理。其中主要包括正态分布、小概率事件、显著性水平、误差、均值、方差、标准差、均值检验、方差检验等。通过温习回顾，学生更容易掌握课程中所涉及到的诸如方差分析、回归分析等内容，加深对实验设计的理解，提高教学效果。虽然我们主张轻理论、重实用，但课程中涉及的一些最基本的原理和概念还是应该给学生交代清楚，使学生“知其然，知其所以然”。教学实践证明，这样安排教学内容很有必要。

二、与专业实验研究相结合，增强实验设计的实用性

学生兴趣和参与意识直接影响试验设计与研究方法课程的学习效果。一般来说，学生开始学习兴趣很大。但是，当一些学生开始接触到抽象概念和算法时，往往就感觉空洞、乏味，不易接受。要通过各种途径和方法，激发和培养学生的学习兴趣。除鼓励学生参与课堂讨论外、课程内容一定要突出专业特点，尽量与本专业科研课题相结合，课堂举例要大量引进本专业实验设计的实例。这样既可提高学生对该课程的兴趣感，又能增强实验设计的实用性，可有效改善试验设计的教学效果。

例如，在讲到单因素优选法中比较重要的黄金分割法时，引用“某选矿厂研究磨矿细度对选矿金属回收率的影响。已知磨矿细度范围为小于200网目含量为80%～95%。要求利用黄金分割试验设计寻求最佳磨矿细度。”为例，加深学生对黄金分割选优法实际应用的理解。再比如，讲授统计检验时，引用了“某矿井选煤厂原煤按矿车计量，矿车的标称容量为1吨，抽查了10个矿车，实际容量为：1.05、0.98、1.08、0.97、0.88、0.92、0.95、0.94、0.89及0.96吨。问实际容量与标称之间有无差异”这样的例子，来说明统计检验中的T-检验在煤矿实际生产中的应用效果。在对矿物加工专业学生讲授正交试验设计时，以煤炭灰化实验中的升温方式、通风方式和最终温度三个因素对灰化指标效果优劣的影响为例，说明各因素对实验结果影响的显著程度和影响的变化规律，进而确定最佳实验方案；这些例子的引用加深了学生对本专业的认识，收到了良好的效果。

教师在课堂教学中应充分考虑学生的专业特点，精选适合本专业学生的教学实例，这样既能加深对试验设计的理解、提升兴趣，又能开拓学生的专业视野，使专业知识与试验设计有机结合，进一步提高学生在本专业领域运用试验设计的能力。

三、课堂教学与实践并重，培养学生的主动设计能力

课堂教学可以使同学从理论方面理解并掌握实验设计的基本原则和方法，但仅仅这样还不够，还应让学生走进实验室，通过专业试验，亲自动手完成一项试验设计任务，实际锻炼学生的试验设计能力，起到“练兵”的作用。

训练首先需要教师给出实验目标，然后要求学生针对该目标确定实验因素及水平，选择合适的试验设计方法，制定可行的试验方案。通过对实验数据的分析，确定因素的主次顺序，并最终找出最优试验条件。为此，我们结合矿物加工专业特点，为学生安排了一项“选煤厂煤泥浮选工艺条件优化”实验。要求用正交试验设计在精煤灰分稳定的前提下，以精煤产率最大化为试验指标，寻找最优浮选工艺条件。第一步筛选试验因素；由于影响精煤产率的因素众多，建议学生从中选出3～5个主要因素，如矿浆浓度、捕收剂、起泡剂加入量、充气量、搅拌时间等。第二步确定因素水平；由于正交实验的实验次数与各因素的水平数有直接关系，为了减少试验量，不建议学生在试验初期选取过多的水平数，水平数2～3个为宜（最好不要超过3个）。第三步选正交表，确定正交试验方案；由于是探索实验，正交表不宜选得过大，两水平试验首选L827，三水平的可选L934，，如考虑交互作用，一定要把交互作用列放到指定的列上，将因素和水平填入正交表的对应位置，这样就确定了一个正交试验方案。按照正交表中的各因素水平的搭配条件，正确完成每一个实验。为提高实验精度，要求每个实验重复一次。第四步数据处理，建议采用有重复的正交试验方差分析方法，确定各因素的显著性水平及对精煤产率指标影响程度的主次顺序，最终找出最优的实验条件，并给出后续的优化方向。

通过这种“实战练兵式”训练，学生进一步掌握了试验设计的基本方法，而且通过专业试验发现：浮选过程中不仅捕收剂、起泡剂、及矿浆浓度等因素对产品指标有显著影响，捕收剂与起泡剂之间的交互作用也是不可忽视的影响条件。这对提升了学生对本专业的认知性有很大的帮助。实践表明，采用这样的教学方法既可以巩固理论知识，又可让学生知道试验设计“怎么用”，达到了学以致用目的，使教学效果得到有效的提升。

四、注重各种试验设计的关联性，及时反馈应用中出现的问题

试验设计方法很多，但各有其自身的独特性，实际应用的侧重方向也不尽相同。既相互关联又有一定的区别，授课时应特别注意。比如常用的随机区组设计、拉丁方设计、正交试验设计三种试验方法，孤立地看，它们自成一体。但它们之间却有着内在的关联性：随机区组设计是将试验单元之间某一方向的系统差异用区组因素控制，突出主因素效应；拉丁方设计则是为了从两个方向局部控制系统误差对主因素的干扰；而正交设计则突破了拉丁方设计的束缚，将所有的影响因素（包括区组因素与实验因素）同等考虑，通过均衡搭配，将各因素对试验指标的影响的显著性全面表现出来，综合可比性强。三种试验设计都是为了降低试验误差，而正交试验不但能减低误差，还具有广泛的适用面。正交试验设计来源于拉丁方设计，随机区组设计。而随机区组设计、拉丁方设计则是正交试验设计的基础，其最终演变到正交试验设计，这就是他们的之间的关联性。使用时各有优势，当系统误差数很少（少于3个）或影响较小时，使用随机区组设计、拉丁方设计灵活、简便，降低试验量；当影响因素过多，采用正交试验设计则更合理、数据分析更全面。类似这种情况还很多，教师讲课时要多加注重各种试验设计之间的联系，绝不能将他们割裂开来。否则，学生将会陷入懵懂、含糊的状态之中，影响教学质量的提高。

试验设计是一门实践性很强的工具性课程，不但要教好、学好、还要应用好。针对实际应用中存在的问题，教师要及时分析、纠正并能及时反馈到课堂上，避免学生犯同样的错误，少走弯路。

历年毕业生的论文中常常存在很多实验设计的问题。比如，某论文中试验任务是考察一项指标，影响因素有A、B、C、D四个，找出最优试验方案。该同学采用单因素试验设计法，通过每次固定其他三因素水平不变，只改变其中一个因素的水平的方法设计了实验方案，得到了该试验任务的最优实验条件，并最终给出论文的结论。这样的实验方案合理吗？回答是否定的。显然，该同学的实验方案存在问题，当固定三个因素的水平，变动其中一个因素时，试验数据并非是最佳结果，因为试验指标不仅仅取决于考察的因素水平，还取决于三个固定因素的初始水平，固定因素的初始水平不同，实验数据就有可能完全改变。再者，如果各因素之间存在着交互作用，这样的实验方案就无法体现其影响效果，因此该实验结果就缺乏说服力，可靠性较差。正确的方法应先用多因素优化方法――正交试验设计安排实验，通过方差分析确定各因素对试验指标影响程度大小顺序，找出主次因素及最优试验条件。在此基础上，再用单因素选优法对主要因素进行水平优化试验，找到最佳实验条件，得出科学的结论。可见，错误的试验设计导致错误的实验数据，进而导致错误的结论。这一例子说明有些学生在制定具体的实验方案时，不知道何时选用单因素试验设计，何时选用多因素试验设计，虽然学了很多的试验设计的方法，但在具体的实践应用中还缺乏针对性、合理性。

类似的问题诸如何时采用均匀试验设计？何时采用正交试验设计？正交试验设计的数据分析什么情况下可以用直观分析，什么情况下不能用直观分析而只能用方差分析？多水平实验如何安排？是一次把全部的因素及水平安排在一张正交表上同时试验，还是采用登山法、消去法、调优法分批进行试验……因此，针对这些模棱两可，容易混淆的实际问题，教师在授课时一定要认真讲清、讲透，使学生在今后的科研工作中正确运用少走弯路。

五、引导学生运用统计软件处理实验数据，提高试验设计的效率

如今，计算机的应用在各行各业中相当普遍。试验设计也不例外，一些相关的统计软件可以很好处理实验设计的相关问题，正确运用这些软件，既准确处理实验数据，提高试验设计效率，又能减少繁琐枯燥感，提升学生的兴趣感。教师应注重培养学生这方面的能力。

目前常用的软件有Excel、DPS、SPSS、Statistics、Origin“正交试验助手”等，各有特点，功能强大，其应用主要体现在三个方面：

1.设计实验方案，选择正交表、均匀表等

如采用DPS（data processing system）软件设计试验时，通过运行DPS软件，点击试验设计主选单，选择正交设计表，根据试验的因素数和因素水平数选择相应的正交试验表，点击确定即可出现正交试验安排表。再如，选用“正交试验助手”软件进行正交试验设计时，运行“正交试验助手”，点击文件目录下的新建工程，建立一个工程项目。在工程项目内，点击试验目录，新建试验，便可根据设计向导，填入试验说明，选择需要的正交表，并在因素与水平项目中将因素的名称填入相应的位置；点击确定，便可生成需要的正交试验设计表。SPSS、Statistics等也有同样的功能。

2.对实验数据进行分析处理

在此首推Excel软件，它不仅具有图表功能和函数功能，而且在处理复杂运算、进行方差分析和回归分析时更表现出极大的优势。当利用Excel进行正交试验时，就是利用Excel中相关的函数进行正交试验直观性分析表的数据和方差分析表的数据的计算，只要将函数输入到相应的位置，便可以轻松获得直观性分析表和方差分析表，利用Excel工具选单里的数据分析得到直方图、t检验和F检验等相关的数据，分析结果准确、快捷；“正交试验助手”软件也很方便。运行该软件，打开要分析的试验项目，打开分析选单，其中有直观分析、因素指标分析、交互作用分析和方差分析，只要点击其中的分析项目，统计分析很快即可完成。其他软件DPS、SPSS、Statistics、Origin的统计分析功能也很强大。选择那一种软件，可依据实际情况而定。

3.对实验结果进行回归模拟

对实验结果进行回归模拟，即将研究的试验进行数学模型化。例如，正交试验设计，通过计算机模型化的方式将正交试验的优化结果表达出来，这种计算机模拟的数据大多情况下比正交试验的直观分析得到的优化条件更准确。通过回归模拟能够控制、预测及优化实验条件及试验指标，通过“算”替代“做”。

相关软件的应用很简单，如SPSS软件回归模拟方法：运行SPSS软件，输入或打开正交试验数据表，选择“AnalyzeRegressionLinear…”出现“LinearRegression”对话框，选择因变量进入“Dependent”，选择自变量进入“Independent（s）”，点击“OK”，便可以统计出正交试验多元线性模型的参数，并得到方程的回归方差。

利用模型可以更好地完成试验条件的分析和优化，但应注意，无论使用哪种方法进行设计和分析，得到优化条件后，务必针对优化的试验条件进行验证。通过验证试验来证明优化条件的真实可靠性，进而证明结论的正确性。

六、结束语

《试验设计与研究方法》是一门实践性很强的课程。因此，在选择教学内容时，一定要贴近专业，且不可面面俱到。教学过程中要多引用与专业科研相关的实例，突出重点，注重各种试验设计的关联性，对实际应用时出现的问题要讲透彻。其次要让学生走进实验室，培养学生的主动设计能力和数据的分析判断能力。再者充分应用计算机技术，引入实验设计及数据处理的相关软件，更好地提高设计及数据处理的效率。把握好以上几个方面的内容，对改进教学方法，激发学生的学习热情，进一步提升教学质量都有很好的促进作用。

参考文献：

[1]孙培勤，刘大壮.实验设计与数据处理课程的教学实践[J].化工高等教育，2003，（1）：84-85.

[2]刘瑞江，张业旺，闻崇炜，汤建.正交试验设计和分析方法研究[J]实验技术与管理，2009，27（9）：52-55.

[3]黄德乾，张宏，盛良全等.化工专业《试验设计与数据处理》教学方法探讨[J].广州化工，2012，40（9）：210-212.

[4]金雷.矿物加工试验设计与研究方法[M].北京：煤炭工业出版社，2011.

第3篇：正交实验设计范文

摘要：论述均匀试验设计的应用现状及与正交设计的异同，并根据目前针灸科研领域中的多因素问题，论述了均匀设计在针灸科研领域中的可行性和应注意的问题；对均匀设计在针灸研究中应用的前景进行了展望。

关键词：均匀设计；正交设计；针灸学

中图分类号：11245

文献标识码：A 文章编号：1673－7717(2008)01－0119－02

均匀设计(uniform design)是我国数学家方开泰和王元于1978年创造出的一种新的试验设计方法，是将数论方法用于多因素、多水平试验的设计。与正交设计相比，它放弃了试验的“整齐可比”性，而是让试验点在其试验范围内，充分地“均匀分散”，每一个试验点都有更好的代表性，试验次数因而大幅减少，成为选择最优化方案的有力工具。成功应用于我国飞航式导弹的设计工程后，迅速在国内各行业推广开来，并受到国际上的广泛关注。此方法在中药学领域研究中已广泛应用，但在针灸学界尚未引起充分关注，故而不揣浅陋，论之以飨同道。

1 均匀设计在中医药研究中的应用现状

近年来，均匀设计在中药制剂的提取工艺、成型工艺等方面的应用迅速增多，并逐渐运用于方剂药物配伍的研究中，积累了许多宝贵的经验，值得针灸学科研加以借鉴。

在单味中药提取工艺研究方面，如赵瑞芝等利用均匀设计安排实验，以虎杖中主要有效成分大黄素、白藜芦醇、白藜芦醇苷以及浸膏得率为指标，考察了乙醇浓度、溶媒量、提取时间、提取次数等对效果的影响，优选出合理提取工艺；在中药复方药物遴选方面，如林桂涛等以纤维蛋白溶解活性、纤溶酶活性为指标，对补阳还五汤处方进行优选和分析，结果表明：补阳还五汤原方作用最好，处方中当归、赤芍、地龙的作用影响较大；关于中药复方最佳剂量配比的确定。沈鸿等以旷野法的小鼠自发活动次数为指标，根据回归公式所得酸枣仁汤优化配比，经实验验证，其配比可行，最佳配比为酸枣仁：甘草：知母：茯苓：川芎=12：1：2：1：2，与《金匮要略》原方的配比接近；在中药复方制剂提取工艺方面，方亮等用均匀设计法优化四君子汤的提取工艺条件。考察乙醇浓度及用量、浸泡时间和回流时间5个因素，以人参总皂苷和总多糖含量为指标，按表安排实验，结果以乙醇浓度10％，溶剂用量为药材量的13倍，浸泡时间14h，回流时间2h为佳。此类实验不胜枚举。可见，在中药研究的方方面面，均匀设计得到了广泛而有效的应用，已崭露优势。

在针灸科研方面，均匀设计同样具有广泛的应用前景，它不仅可以全面客观地说明问题，而且与其他一些设计方法相比，大大地降低了实验成本，简化了实验设计，使一些较复杂的科研实验的开展变得可行。

2 均匀设计在针灸研究领域的应用前景

目前在针灸领域，腧穴特异性研究、穴位配伍及处方规律研究、针刺手法量化研究，无一不因其多因素、多水平、设计繁杂而受到制约。

2.1 腧穴特异性研究 腧穴的特异性，是指腧穴在形态结构、生物物理特性、病理反应、刺激效应等方面与其周围的非腧穴或与其他腧穴比较，具有的特异性而言。这种特异性通常是多种因素及各因素多水平相互作用结果的体现。因而在实验研究中要考虑到很多因素，每个影响因素又包含不同的情况即水平层次，使腧穴功能特异性研究在实际操作中遇到很多客观因素的限制。以往通常是采用限制其它影响因素，单纯研究某一影响因素的方式来解决这个问题，但往往难以全面客观地说明问题，结论局限，说服力不强。而均匀设计实验正可以最少的实验次数满足这种多因素、多水平的复杂设计需要。

2.2 穴位配伍及处方规律研究与方剂药物配伍研究相似，穴位配伍及处方同样存在着穴位遴选、最佳组穴配伍等问题。临床针灸治疗方案的优选需要解决的是多因素问题，采用单因素优选法显然不符合优选方案研究的设计要求。因此多因素多水平间的搭配组合方案的优选是研究设计的重点。均匀设计非常适合于解决此类问题，但目前在针灸临床研究中却应用很少。

2.3 针剌手法量化研究针刺手法是针灸治疗过程中必须掌握的基本技能，也是提高临床疗效的根本所在。针剌补泻等手法、持续的时间、刺激强度，乃至选择的针灸工具，都是需要量化的因素，即每个因素都有数个水平。如刺激方法可以选择毫针刺、电针或灸法；针刺补泻手法可分为补法、泻法、平补平泻、或不同针刺深度等不同水平；同样，电针的频率、强度、波形等也可作为影响因素的不同参数水平等等。目前建立量化、规范化和标准化的针刺手法实验研究已成为我国针灸界急需解决的重要课题。这种多因素、多水平的复杂设计同样需要应用均匀设计。

针灸是一门系统科学，但目前的针灸研究明显缺乏系统性，大多数研究选用的是单因素分析法，得出的结论存在较大的局限性，影响了针灸研究的进程，有待于正交设计、均匀设计一类多因素设计分析方法在针灸研究中的倡导应用。

3 均匀设计与正交设计的异同点

正交设计和均匀设计在科研中的运用越来越广泛，但是如何能在研究过程中带来更大的方便和更准确的结果，有赖于对这两种方法正确的理解和运用。

在科研过程中。作为当今实验设计采用的重要方法之一，正交设计法在某些方面的优势是不可忽略的。比如在定性因素的考察、因素间出现交互作用时的考察等方面，正交设计仍是一种相当可靠的实验方法。但在更多的方面均匀设计则表现出明显的优势。

均匀设计将试验点在高维空间内充分均匀分散，使数据具有更好的代表性，为揭示规律创造必要条件。当变量和水平数少于4时，试验设计适用的方法较多，如正交试验设计、回归正交试验设计、旋转设计等，试验次数通常在十几个，尚可以接受。而对于一些复杂规律的研究(水平通常在5以上)，正交表为了照顾“整齐可比”的特点，往往无法做到充分“均匀分散”，要求的试验次数会剧增。如3因素10水平试验，不考虑交互作用，用正交法需要100次。若继续应用正交设计法便只能简化条件或是取消试验考察。应用均匀设计方法，试验次数等于最大水平数，而不是实验因子数平方的关系，可以在水平数较多的情况下尽可能地减少实验次数，又可以不降低实验的准确性，因此大大增加了实验的可操作性。但一般来说，试验次数选为实验因子个数的3倍左右为宜，有利于建模和优化。

两种方法实验数据分析处理方法不一。正交设计法采用极差方差计算，未能反应出各自指标值的误差状况。一旦某点或某几点指标误差较大，势必会影响计算结果的可靠性，进而影响试验结果分析的正确性。而均匀设计法采用多元线性回归计算和逐步回归分析，建立了回归方程，并且以此建立误差点的判断依据。从而使分析结果建立在一个可靠的基础上。当然，鉴于正交设计法因素间彼此正交，正符合回归计算对因素的要求，而且正交设计同样基于实验点在实验范围的“均匀分散”，因此同样可以采用多元线性回归计算，来弥补正交极差方差计算的不足。

正交设计法现今所作的多是从正交试验表中找出指标最好点的实验条件作为最优条件，但此点未必是真正的最优条件。而均匀设计则是通过回归方程来分析及预测，并在预测后用实验来验证，从而找到真正的最优条件。

4 均匀设计在针灸领域应用中应注意的问题

均匀设计在应用时普遍应当注意的问题是，正确使用均匀设计表和使用表；不要片面追求过少的试验次数，试验次数最好是因素数的3倍；在回归分析时避免片面追求回归模型的项数、片面追求大的R2、误差自由度过小等；注意变量、范围、水平数的选择等。在针灸领域应用中应当注意如下问题。

4.1 因素选择的合理性试验设计中选择的各因素应当是可以量化的，如电针强度、电针频率、留针时间等。若选择难以数字量化的因素，则应保证各水平之间的均衡性，如针剌补泻手法分为补法、泻法、平补平泻法。

4.2 水平选择的合理性实验之前应当进行充分的文献调研及预试验，从而确定各因素的考察范围，使均匀设计各因素的优化水平落在考察范围中间，以保证筛选出的最佳条件的可靠性。

第4篇：正交实验设计范文

关键词 正交设计试验法；正交表；极差分析法；方差分析法

中图分类号 X8 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）05-0029-02

正交试验设计是利用正交表科学地安排与分析多因素试验的方法，是最常用的试验设计方法之一，它能够较全面地反映试验因素的影响情况，在实践中获得广泛的应用。50年代开始国外化学分析家将该方法推广应用到化学及化学分析方面[ 1 ]，改善了测试手段。

7 0年代中期，我国分析工作者将该法首次应用到光谱分析中[2]，进行了试验条件的优化，提高了分析效率和质量。目前，该方法越来越受广大分析工作者的喜爱[3]。

1 正交设计试验法的原理及基本步骤[4]

1.1 原理

正交设计试验是科学地设计多因素影响试验的一种方法，它要用一套规格化的正交表安排试验，得到的试验结果再用数理统计方法进行处理，使之得出科学的结论。

1.2 基本步骤

正交试验设计包括2个部分：试验设计和数据处理。

正交表的选择是正交试验的关键。在选表之前，必须明确试验目的，分析影响试验的各种因素，考虑每个因素的水平变化范围，在选定的范围内确定每个因素的水平数，同时水平数的安排应做到随机化，尽可能考虑偶然因素引起的误差，然后将考虑后确定的各因素和各水平填入正交表中安排试验。试验完成后对试验结果进行统计分析（极差分析法或方差分析法），以便得到最优条件。

通过结果分析，可以明确对试验过程有显著影响的各因素，从而指导我们在试验中严格控制这些因素的条件，准确操作，以确保测定值的准确性。对影响不显著的因素，试验条件可以放宽松些。对于影响不大的因素，甚至可以舍弃。

2 正交设计试验法在光谱中的应用

Yingming Pan[5]等利用L9（34）正交试验设计表从萃取溶剂，温度，pH值和萃取时间四个因素各取三个水平利用正交实验设计L9（34）从木犀属植物中提取一种新的天然红素，在优化条件下萃取率达到34.6+/-2.2G/100G。

Yadollah Yamini等利用等电子发射光谱法测定，从压力、温度、氰化物的含量，犹和静态萃取时间五个因素，各取5个水平下优化出的从青岩石中超临界萃取出的铂和铼的含量，结果表明正交实验设计是一种实用的从固体岩石中优化超临界萃取条件的实验方法。

Daishe Wu等催化分光光度法测定通过热分解的煤中碘的含量，对影响碘提取的煤的用量，氧气流速，分解温度，热分解时间和氢氧化钠的浓度5个因素各取4个水平利用正交实验设计共实验了16个实验，从而优化出最佳的提取条件下，提取效率达到0.29mg/g，得到的方法能够广泛应用于常规煤中碘的检测。

Guanghua Zhu等[6]采用6因素5水平正交实验设计，利用SSRTP方法测定药物制剂中甲氧萘丙酸的含量，分别考虑了pH值、干燥温度、干燥时间、样品与固体酶作用时间和固体酶干燥后的暴光时间，结论表面pH值和样品与固体酶作用时间是最主要的影响因素，该优化条件大大提高了检测的灵敏度，可以很好地应用于药品制剂中甲氧萘丙酸的含量。

Fakhr Eldin O等测定酸性介质中，利用青霉胺与三铁离子作用，通过连续光谱法测定药品中青霉胺的含量。本论文利用五水平的正交实验优化青霉胺的提取效率，最终得到的优化条件能广泛地应用于药品制剂中青霉胺的含量测定。

3 正交设计试验在色谱中的应用

Jianlin Chen等[7]探讨从红树林中分离的一种菌株生物降解聚合多环芳烃的条件，采用五因素水水平正交实验设计L16（45），从而优化出最佳的降解条件。

Yang Bai-Juan等固相萃取结合气质联用测定水中烷基苯酚的含量，从硅烷化试剂、硅烷化时间、酸度、盐浓度和洗提液几个影响固相萃取效率的因素着手，优化出最好的固相萃取条件，从而用于水中烷基化试剂的监测。

Hamid Reza Sobhi等[8]利用高效液相作为检测手段，从影响固相微萃取的5个因素（温度，旋转速度，溶剂用量，离子强度和萃取时间）各取4个水平着手，凝固悬浮液滴法萃取油溶性维生素，该实验设计方法在低成本和低的有机溶剂耗费的条件下能够快速，准确找到最优的提取维生素的条件，并能用于从实物中快速提取维生素。

Chunhe Yu等用HPLC测定环境样品中溴化阻燃剂，结合搅拌子吸附萃取和超声提取。对样品中各种溴化物的提取因素：萃取时间、解吸时间、解吸溶剂、甲醇含量、氯化钠含量五因素各取四水平的正交实验，实验结果表明在优化的萃取条件下，各目标物质均达到较好的提取。

4 正交设计试验在其他方面的应用

Ensieh Ghasemi等[ 9 ]比较分析应用汽油和超临界流体萃取蒿属植物中有效成分的萃取，超临界流体萃取中，对萃取压力、温度、萃取时间、萃取添加剂用量四因素各取三水平进行了9次实验，优化条件下蒿属植物中各成分提取比较完全，实验同时证明利用超临界流体萃取远优于常规的萃取方法。

Wenqiang Guan等[10]比较了超临界流体萃取与3种传统的萃取方法从植物苞芽中提取香精油的萃取率比较，用三因素三水平的正交实验对影响萃取效率的温度，压力和颗粒大小进行考察，结果表明温度是影响萃取效率的最主要因素，颗粒大小的影响最小，并得到当压力为10MPa，温度为50℃植物苞芽中丁香油酚的萃取率最高。

Wang Z等合成8-偏苯三酚I合硅胶及其应用，并通过流动注射-电感耦合等离子质谱检测其在海水中追踪金属离子的能力。采用四因素三水平的正交实验设计表对8-偏苯三酚键合硅胶的合成表件进行优化，综合考虑了多聚甲醛的用量及与8-偏苯三酚的比例以及键合时间，键合温度。研制了一步扭曼反应合成8-偏苯三酚键合硅胶，合成的8-偏苯三酚键合硅胶能够更方便有效的检测海水中重金属离子含量。

Ching-Te Huang等[ 1 1 ]通过正交实验设计优化顶空固相微萃取法（HS-SPME）萃取乙醇和醚类物质。HSSPME结合气相色谱和火焰离子检测器可用于样品中乙醇和醚类物质的检测，萃取温度，萃取时间，盐浓度以及样品的体积通过正交实验设计进行优化，优化的方法可用于尿样和血液中乙醇和醚的检测，检出限非常低。试验表明正交试验设计一种高效的试验设计方法，它能够在比较短的时间内，花费很少的条件下得到最佳的试验结果。

参考文献

[1]Hogg R V，Craig A T.Introduction to Mathematical Statistics[M].Macmillan，New York，1959.

[2]邓勃.数理统计方法在分析测试中的应用[M].北京：北京工业出版社，1984.

[3]李云雁，胡传荣，等.试验设计与数据处理[M].北京：化学工业出版社，2005.

[4]方开泰，马长兴.正交与均匀试验设计[M].北京：科学出版社，2001.

[5]Yingming Pan，Zhiren Zhu.Characterisation and free radical scavenging activities of novel red pigment from Osmanthus fragrans’ seeds[J].Food Chemistry，2009，112（4）：909-913.

[6]Guanghua Zhu，Huangxian Ju Determination of naproxen with solid substrate room temperature phosphorimetry based on an orthogonal array design[J].Analytica Chimica Acta，2004，506（2）：177-181.

[7]Jianlin Chen，M.H. Wong. Multi-factors on biodegradation kinetics of polycyclic aromatic hydrocarbons （PAHs） by Sphingomonas sp. a bacterial strain isolated from mangrove sediment[J] Marine Pollution Bulletin，2008，57（6-12）：695-702.

[8]Hamid Reza Sobhi，Yadollah Yamini.Suitable conditions for liquid-phase microextraction using solidification of a floating drop for extraction of fat-soluble vitamins established using an orthogonal array experimental design[J].Journal of Chromatography A，2008（1196-1197）：28-32.

[9]Ensieh Ghasemi，Yadollah parative analysis of the oil and supercritical CO2 extract of Artemisia sieberi[J].Journal of Food Engineering，2007，79（1）：306-311.

第5篇：正交实验设计范文

Abstract： On the basis of multi-target orthogonal test design comprehensive balance method， comprehensive frequency analysis method is presented， and it gives out the principle of the optimum test plan： if the test index is of equal importance， the index level of high frequency is preferred according to the frequency prioritization； the index level index is of equal importance， the index of low cost， easy operation and short time is preferred if the frequencies are the same. Through case analysis， the testing program on comprehensive frequency analysis method is more reasonable than that on the traditional comprehensive balance method.

关键词：多指标正交试验设计；综合平衡法；综合频率分析法

Key words： multi-target orthogonal test design；comprehensive balance method；comprehensive frequency analysis method

中图分类号：O213.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）24-0124-03

0 引言

在生产实践中，试验所考察的指标常常不止一个，这时试验就变成多指标正交试验。在这类正交试验中，各指标之间可能存在着一定的矛盾，如何兼顾各指标，找出使各项指标都尽可能好的试验条件呢？一般采用综合平衡法和综合评分法。

综合平衡法和综合评分法的基础是试验设计法，早在1920年就由英国著名统计学家R・A・费希尔发展起来。他先在农业试验上采用多因素配置方式，对不同因素的每一种位级组合进行试验，并用方差分析方法分析因素对指标的影响。但是，采用这种方法进行试验时，当因素与位级增加时，试验次数将急剧增加。从而导致试验周期长，成本上升，甚至根本无法进行试验。20世纪40年代，D・F・芬尼提出多因素试验的部分实施方法，奠定了减少试验次数的正交试验设计法的基础。50年代初期，日本电讯研究所的田口玄一博士，又在此基础上开发了正交试验设计技术，应用一套规格化的正交表来安排试验，采用一种程序化的计算方法来分析试验结果。由于这种方法的试验次数少，分析方法简便，重复性好，可靠性高，适用面广，因此在日本获得迅速的普及，成为质量管理的重要工具。以后田口玄一博士又在正交试验设计的基础上，开发了被称为日本设计质量管理技术的3次设计，充分利用产品或系统中存在的非线性效应，以取得高质量、低成本的综合效果，因而在国际上得到广泛应用。

1 多指标正交试验设计的基本方法

试验设计的方法很多，如单因素优选法、多因素单指标正交试验设计、多因素多指标正交试验设计、水平不等的正交试验设计，存在交互作用的正交试验设计等。在生产实际中经常遇到的是多因素试验设计的问题。首先，正交试验设计法，就是利用规格化的正交合理地安排试验，运用数理统计原理分析试验结果，从而通过代表性很强的少数次试验摸清各因素对结果的影响情况，并根据影响的大小确定因素主次顺序，找出较好的生产条件或较优的参数组合。其次，多指标正交试验设计的综合平衡法首先使用单指标正交试验的方法来安排实验方案和分析试验结果，分别找出各指标最优和较优的生产条件，再把这些条件加以综合平衡，从而找出兼顾各指标的生产条件。下面通过实例来说明综合频率分析法的运用过程。

2 案例分析

为提高某一种橡胶配方的质量的生产条件，通过多指标正交试验设计进行优化，确定最佳配方和生产条件。

2.1 正交试验方案的设计[1]

试验方案的设计可以分为以下3个步骤：

①明确目的，确定指标。试验目的是提高质量。由实践经验知道，提高橡胶配方的质量有3个试验指标：伸长率（越大越好）、变形（越小越好）、屈曲（越大越好）。

②制定因素水平表。根据生产实践和专业知识可知，影响橡胶配方质量的因素有4个，每个因素均取4个水平，其因素水平如表1所示。

③选择正交表，安排正交试验。本例有4个因素分别用A、B、C、D表示，每个因素4个水平，所以选择的正交表至少有4列，每列都有4个水平，在常见的正交表中选择L16（45）来设计试验方案。整个正交试验设计的方案和试验的结果，如表2所示。

■

2.2 试验结果分析[1]

2.2.1 直观比较

对16次试验的结果进行直接比较，可得到的好条件分别为：

伸长率指标的好条件为第九号试验，试验条件为A3B1C3D4 （1）

变形指标的好条件为第一号试验，试验条件为A1B1C1D1 （2）

屈曲指标的好条件为第一号试验，试验条件为A1B1C1D1 （3）

2.2.2 极差分析

极差分析的方法同单指标正交试验设计，分别计算一系列指标和每种因素的极差，计算过程如表3和表4，计算结果如表5。

如表4所示，通过指标和可以知道试验条件分别为：

伸长率指标的好的试验条件为A3B1C4D4 （4）

变形指标的好的试验条件为A1B4C1D2 （5）

屈曲指标的好的试验条件为A1B1C1D3 （6）

从极差R的大小可知，诸因素对各指标的显著性顺序为：伸长率为ABCD，变形为CABD，屈曲为ABDC。

3 应用综合频率分析法确定最佳试验方案

3.1 应用综合平衡方法确定最佳试验方案

在文献[1]中，综合平衡方法确定最佳试验方案的过程和结果是：因素A对伸长率和屈曲两个指标起显著作用，对变形处于第二位。根据因素A在3个不同指标中应选取的水平情况，可以确定因素A应取1水平。因素B对伸长率和屈曲两指标处于第二位，对于变形指标处于第三位，而对于前两个指标，因素B应该选取1水平，所以综合考虑后因素B应选取1水平。因素C对于变形指标是显著性因素，而对于另两个指标是不显著因素，所以对于因素C，应重点考虑变形指标的情况。对于变形指标，因素C应选取1水平，所以综合考虑因素C也应选取1水平。因素D对于伸长率和变形指标为最不显著的因素，而对于屈曲指标处于第三位。故可由屈曲指标决定因素D的水平，应选取3水平。综合平衡后的好的试验条件为A1B1C1D3。

3.2 应用综合频率分析法确定的最佳试验方案

综合频率分析法确定最佳试验方案的原则：如果试验指标具有同等重要性，按照频率出现的高低优先排序，优先选择频率高的因素水平；相同频率的按照成本低、易操作和时间短的原则选择因素水平。

本例中，各指标对于试验结果具有同等重要性。根据直观比较得到的试验条件（1）（2）（3）和通过各个指标和分析得到的试验条件（4）（5）（6），对因素ABCD的不同水平分别进行频率分析，具体见表6。

由表6可知，因素A的1水平出现频率是2/3，因素B的1水平出现频率是5/6，因素C的1水平出现频率是2/3，因素D的1水平和4水平分别出现的频率都是1/3。

根据综合频率分析法确定最佳试验方案的原则，最佳的试验方案为A1B1C1D1，即促进剂用量应该取2.9，氧化锌总量应该取1，促进剂E所占比例应该取25%，促进剂F所占比例应该取34.7%。试验方案A1B1C1D1需要经过工艺验证，就可以转化为适宜的生产条件。

4 结论

本文在多指标正交试验设计综合平衡法在基础上，提出了综合频率分析法，并给出了确定最佳试验方案的原则：如果试验指标具有同等重要性，按照频率出现的大小优先排序，优先选择频率大的因素水平；相同频率的按照成本低、易操作和时间短的原则选择因素水平。通过案例分析，应用综合频率分析法确定多指标正交试验设计的试验方案比应用传统的综合平衡方法更合理。

但是，应用综合频率分析法确定最佳试验方案时，对于各试验指标对试验结果的重要性不相等时，需要重点考虑主要指标，需要改进应用综合频率分析法。

参考文献：

[1]宋明顺.质量管理学[M].北京：科学出版社，2014.

[2]宋明顺，黄佳，张士朋，戚彬芳.多指标正交试验设计去量纲准则及方法研究[J].工业工程与管理，2014.

第6篇：正交实验设计范文

    针刺手法参数量化的研究可有效地指导临床,从而提高临床疗效,樊小农等[5]复制大鼠大脑中动脉缺血模型(MCAO),利用针刺频率的慢、中、快(1、2、3次/s)和针刺时间的短、中、长(5s、60s、180s)的2因素3水平的正交设计,以脑血流量为效应指标,综合分析9种针刺手法作用于“水沟”穴对MCAO大鼠脑血流量的影响。结果表明“水沟”穴的操作方法为快频率、足够长时间的针刺(雀啄手法以眼球湿润为度)。贺妮娜等[6]利用正交设计筛选“醒脑开窍”针刺法中内关穴最优针刺参数。作者复制大鼠大脑中动脉缺血模型(MCAO),以针刺频率的慢、中、快(1、2、3次/s)和针刺时间的短、中、长(5s、60s、180s)的2因素3水平的正交设计,分析9种针刺手法作用于“内关”穴对MCAO大鼠脑血流量和神经细胞坏死数的影响。结果表明,内关穴针刺频率和时间的最优方案为120次/min,5s。

    正交设计在电针参数定量化中的应用电针能较客观地控制刺激量,便于定量分析,对电针的参数进行研究后发现不同的电针参数产生不同的针效[7,8]。电针参数量化存在合理性,有待于进一步更全面、细致地研究,以提高电针的临床疗效[9]。蒯乐等[10]通过正交实验设计考察电针3因素(A频率,B波型,C电流强度)、2水平(A12Hz,A2100Hz;B1连续波,B2断续波;C10.1mA,C20.2mA)参数的镇痛作用以及A×B、A×C和B×C的交互作用,探讨电针治疗佐剂性关节炎大鼠炎症痛最适宜的电针参数方案。研究发现电针治疗提高痛阈的优化参数方案为:100Hz,0.1mA,断续波。电针升高局部组织中β-内啡肽含量,100Hz优于2Hz。4/20Hz、疏密波、0.1mA与100Hz、断续波、0.1mA电针对大鼠炎症痛镇痛作用的差异无统计学意义(P>0.05),得出其最佳参数为100Hz、0.1mA、断续波。

    影响艾灸疗效的因素主要有温度、灸量、时间等因素,单因素研究必然不能全面反映其疗效,利用正交设计将以上因素综合分析无疑是提高艾灸临床疗效的最佳方法[11~13]。赵天平等[14]采用正交实验设计方法,观察麦粒灸频次(2次/d,1次/d,1次/d)、疗程(5d、7d、10d)、壮数(3壮/次、6壮/次、8壮/次)3因素3水平不同灸量对溃疡性结肠炎大鼠穴区温度和Cx43表达的影响。结果提示麦粒灸3因素3水平组合的艾灸壮数是影响灸后即刻穴区皮肤温度的主效应因素,2次/d、3壮/次、5d的灸量组合作用最显着;频次是影响灸后5min穴区皮肤温度的主效应因素;疗程是影响灸后穴区Cx43阳性表达的主效应因素,1次/2d、3壮/次、10d的灸量组合作用最显着。

    正交设计在量化拔罐刺激量中的应用拔罐效果主要受时间、压力2个因素的影响[15],但在临床应用中对二者并没有相应的规范指标,拔罐时间和压力受人为影响较大。对拔罐刺激量的研究仍处于实验研究的薄弱环节,利用正交设计规范拔罐刺激量,对科研和临床的操作有重要的指导意义。童伯瑛[16]设计2因素(时间因素、压力因素)不等水平(时间因素为3个水平:10min、20min和30min,压力因素为4个水平,分别为-0.04MPa、-0.05MPa、-0.06MPa和-0.07MPa)的正交表,考察拔罐刺激量对罐斑颜色变化的影响以及时间因素和压力因素之间的关系,以便为拔罐刺激量的标准化研究提供依据。研究发现,a)时间因素:拔罐10min后,罐斑颜色无明显变化,认为超过10min的拔罐刺激量是无效的。因此选择10min为拔罐刺激量。b)压力因素:若以罐斑颜色重为好,-0.06MPa即可以达到最佳的刺激量。在越来越国际化的今天,针灸在走向世界的角色转变中面临很多严峻的考验,针灸量化、标准化、规范化的要求也越来越迫切[17]。正交设计在多因素多水平研究中的优势避免了复杂的实验设计,节省了样本量,使实验过程变得快捷,节省了大量人力,简化了实验设计,在针灸研究中日益受到学者们的青睐。但在正交设计因素水平的选择上尚需注意,选择因素时要全面合理[18],在实验设计中要尽量选择可以进行量化的因素,如电针频率,留针时间,艾灸壮数,拔罐时间等,如遇不能量化的因素因尽量保证各因素间整齐可比,如腧穴配伍,针刺手法刺激强度等。选择水平时要根据临床经验或查阅文献资料,并且进行相应的预实验以确定各因素的范围,保证因素水平在合理的范围内[19]。正交实验设计凭借其自身优势,已被越来越多的应用在针灸各个方面的研究中,其应用前景不容忽视,相信利用正交设计进行针灸各影响因素的研究会在针灸领域越来越普及,针灸量化、规范化的系统也会随着实验研究的深入不断完善。

第7篇：正交实验设计范文

【关键词】 正交

摘要：目的：在科研工作中推广应用正交设计方法。方法：以VBA语言自编正交设计软件模块，加载于ECXEL平台，并予以剖析及实例应用。结果：程序能准确选定考核指标，进行直观和方差分析，给出试验的优选方向和“可能好配合”。结论：该软件模块运用方便，可正确使用公认准测进行数据处理。

关键词：正交设计；因素；水平；直观分析；方差分析

在科研实验例如新药研究领域，探索配方，论证方法，均需对诸多影响因素及水平作出比较选择。这种选择试验的巨大投入，往往成为许多研究者的困惑。此时，合理的正交设计，就可能是解困的关键［1~4］。基于此，笔者一直探索在微软EXCEL平台编制和应用正交试验软件模板［5］，现报道如下。

当然，相对于权威统计软件SAS这一“摩天大厦”，笔者只是试建一个“小便利店”。对一般性任务用户而言，后者不止是方便，更因其有人人熟悉的“一元化”界面及无需前期学习的特点而在实际上促进了统计理论在药研工作中的理解和推广。

据笔者经验，药研试验中最多见的当是2~7个因素、2~3个水平的优选。因此在该软件的10版本中，我们仅设计4个正交表头模板 ：L8(27)、L9(34)、L16(215)、L8(4×24)(混合水平表)，分别在sheet1~4之间安排。同时为了满足部分用户的更高要求，在sheet5以后的表中，另设计含有交互作用处理的正交处理模板：L8(27)、L9(34)。

1 正交模板程序流程

模板流程为完全模仿试验者的实际需要步骤，以一个条件优选试验为例：首先是试验者提出计划设定因素及水平，接着由模板 确定试验项目详细安排试验实施表，然后试验者按图索骥进行条件水平试验，最后将试验结果再输至模板中，由程序进行各种分析，最终给出试验的优选参数或方向。因此，各模板都将具有以下6块结构并自动协调执行：

11 正交设计表头

向用户提共正交设计的规范表头。

12 设定因素及水平

显然，这是一个试验参数输入区，即设定的因素及水平值。输入后程序即自动在下面

13块中生成试验实施表。

13 试验实施表及试验数据

研究者可按试验实施表组织试验，并于试验后输入正交试验结果。点击处理图标后，程序即进行自动运算。由于本块为试验实施表，含有各因素列的有序排列，故相应增加若干行，用来显示对正交结果的直观分析，如此使模板界面更加整洁。

14 方差分析表

无须赘言，这是本模板的精髓所在。

15 中间参数

因正交试验结果的直观和方差分析均需要一些中间数据，就列放于本块之中。此外，在本块的适当醒目位置，另设有一些幽默的提示语言栏及小动画设置，告诉用户操作中的失误或指导进行某步的操作。当然，作为一个软件界面，还附加了一些诸如时间、次数、备份资料等一些有用的信息。

16 程序校验

此块是隐藏的，并不显示于模板界面上。根据笔者经验，任何程序都难免遭受病毒攻击，故从SAS分析实例中精选一批数据，当激活检验图标时，这些数据将以只读形式输至本模板，并予处理，处理结果(包括大量中间参数)与预存数据比较，从而判断模板是否出错并提供信息。

2 部分编程处理原则或原理

模板制作采用VB语言后台编程和前台EXCEL公式构建相结合的方式。部分编程原理是：

21 试验结果的判断指标的处理

正交试验的观察指标(即试验结果)往往不止一套，各自的判断(或考核)指标也不会一样，程序将视以下几种情况分别处理并在提示栏公布信息和指标方法：①以大为优时(例如考核试验结果的回收率)，试验者应在模板指定位置处(在该结果数据列的下方)填上“max”或“大”字符，程序读取后，即按正常模式进行处理。②以小为优时(如考核试验结果的精密度值RSD)，则应填为“min”或“小”，模板会将数据x作倒数变换成1/x后处理。③以某定值d为优时，则应填上这个定值d，模板会将数据x按公式1/(x-d)2变换。④以远离某定值d为优时，则应分别填上：>d(越大越优)，

模板的10版本上共设有4列试验结果列，允许用户输入并同时自动处理4套结果数据。若无4套结果，可以空置。程序读到空白列时即自动跳过此列，并在提示栏公布信息。

22 试验结果的直观分析

直观分析的原理在此不赘述，读者可参阅相应的统计书籍。直观分析图对EXCEL来说是易如反掌。但程序试用后，有用户反映图似多余，现10版本中予以删除。当然，直观分析图所展现的优选趋势，程序中已作相关的运算：除提示“可能好配合”外，凡是优选水平为中间值的，模板会提示“似在附近”；而优选水平为高低限的，则会提示“似为更高”或“似为更低”。此种处理，经部分药研工作者试用，反映较好。

23 试验结果的方差分析

方差分析的原理亦不赘述，读者亦可参阅书籍。方差分析是调用EXCEL自身集成的方差分析模块，并在本模板中巧妙组合。方差分析结果可提示因素的显著性和重要性，用以结合直观分析结果而共同确定最优水平。

24 试验结果的最终优选综合

程序确定的原则是：对于由方差分析提示的重要因素，其水平就取直观分析建议的优选水平，按其取优或建议补做进一步试验。对于方差分析提示为不显著或最不重要的因素，优选水平的确定由用户根据节约、高效、方便的原则自行确定。当然，程序仍给出“可能好配合”的建议。

25 试验结果的交互作用分析

交互作用的分析原理仍不赘述。在可分析交互作用的模板内，程序按通用规则进行处理，并兼顾直观和方差分析的结果，对所有的交互作用作显著性判断，最终对各交互作用的重要性排序并予提示性输出，并将交互作用考虑进最终的优选方向推荐中。

作为数据处理应用系统，该软件已加载于安徽医科大学实验管理系统中，本研究第一作者可免费提示该程序离线用户版。

3 药研应用实例甲氨蝶呤缓释体内植入剂的体外释放方法研究

31 体外释放试验及测定方法

体外释放试验方法为等距浸出法/换液杯法。按此方法试验，其释放模型经理论及试验证明，与杯法完全一致(已另文发表)［5］。体内吸收率与体外释放度的关联按中国药典2000年版规定的“点对点相关”方法试验和检验(已另文发表)［6］。此前测知：甲氨喋呤稀溶液约稳定5d(变异系数CV≤5%)，故确定释放介质每4d更换1次。取样时间点为：2h，8h，24h，48h，72h，96h(第1次换液)，144h，192h(第2次换液)，240h，288h(第3次换液)，384h。测定方法为2000年中国药典甲氨蝶呤项下方法。

32 正交试验及因素水平选择

影响体外释放的因素较多，一些是不容改变的，例如温度37±0.5℃。可选择改变的重要因素有4个：释放介质(种类)、介质浓度、介质体积及搅拌转速，设计为四因素三水平的正交优选试验。根据我们的实践，该四因素间交互作用较小(仅介质种类和浓度间可能有微弱的交互作用，而选择适当时亦可使浓度因素近似成为独立变量)，故以正交表L9(34)实施，以减少试验工作量。

321 介质种类及水平的选择

该制剂的辅料为可降解型聚L乳酸。针对其特点，介质种类重点考虑介质的酸碱性：选酸、中及碱性3种，即pH值分别为≤6、7及≥8的二元缓冲溶液。

322 浓度因素及水平的选择

对应地，浓度因素的类型定为等渗比例(稀释)浓度，而不选摩尔浓度和一般的质量|体积浓度。因后两者的同一水平对不同的介质有相对复杂的不同效应，但等渗比例浓度不然，同一水平有相同的渗透压(当然，稀释后为非等渗液)，并不论介质如何变化。特别地，渗透压又可能是影响药物体内释放与吸收的重要因素。

323 浓度水平的选择

并不选0水平即纯水。因该水平将导致因素(介质种类)差异消失，不符合正交设计的初衷。实际设计为100%(等渗液)、25%(等渗液+水=1+3)、10%(等渗液+水=1+9)的比例等渗浓度。为了不漏掉对水介质影响释放的观察，在上述正交试验后，以优选的其他因素水平，另做以纯水为介质的试验。

324 介质的体积及水平选择

以确保体外释放漏槽效应为前提而确定之：每试验杯/瓶投药1包装量(甲氨蝶呤5mg)，介质体积水平分别取100、200、500mL。

325 搅拌转速及水平选择

参照2000年中国药典释放度项下规定，选转速水平为0、50、100r/min。

33 正交试验结果(考核指标)的优选认定

缓释制剂的体外释放是比较复杂的试验，其结果的优选判断亦很不易。我们选择的是综合考虑以下3套：

331 各试验结果的拟合模型及拟合优度

模型为一级或Higuichi方程，拟合优度以相关指数与残差平方和之商(记作R2/Mse)衡量之，以大为优。

332 各试验结果的精密度

各试验做3份平行样，求得各时间点的精密度(相对标准偏差RSD)和所有时间点的平均RSD，以小为优。为便于文中展示，求其倒数后输入(记作1/RSD)，仍以大为优。

333 各试验达75%释放度的时间

以靠近10d为优(注：若考虑减小试验工作量，当采用适当的体外释放介质，使体外释放周期明显小于其标称体内缓释期。但据此前大量试验，若两者不同，体内外相关较难。故择相近的释放周期：以约10d达到75%释放度为优选目标)。该数据可按拟合模型求算，即取所得释放曲线上对应于75%释放度的天数d。按定值d为优方式，将此天数减10后平方再取倒数值(记作1/(d-10)2)，以大为优。

34 试验结果

341 正交试验数据

正交表头的设计见表1，正交试验的结果见表2。表1 正交表头L9(略)表2 正交试验结果（略）表3 方差分析结果（略）

① 关于释放介质

从试验结果看，3类结果均显示释放介质是显著性因素，可能好水平为pH>8。这符合该试药的特点。因辅料是聚L乳酸，它的高分子链端基因当然与稀碱溶液相容更好，故在碱性介质中的释放也相对最理想。试验中观察到：中或酸性的介质均导致释放偏慢，释放后期所取的样液浓度小，误差大，这亦是RSD变差，拟合优度下降的合理解释。

② 关于介质浓度

它的重要性仅在试验结果1/(d-10)2的分析中被提示，在另两类结果中均为最不重要因素。故就取被提示的可能好水平。试验中观察到：对被优选的碱性介质而言，浓度与释放速度成增函数关系，当介质浓度是100%时达75%释放度的时间是6d左右，而10%时达75%释放度的时间是13d左右，以25%(约10d)最符合我们的期望。

③ 关于介质体积

3类结果均提示介质体积在200以下，其中试验结果R2/Mse提示为影响较显著，可能好配合为200。考虑到此体积并不算太大，试验中所取样液的浓度也较合适，就取此值为释放介质的体积。

④ 关于搅拌转速

无须赘言，就取试验结果1/RSD的分析所提示的可能好水平50r/min，这也恰是3个水平中的中值。

参考文献

1 周同惠，汪尔康，陆婉珍分析化学手册・第一分册北京：化学工业出版社，1999，623~63`;694~706.

2 Kathy Ivens， Conrad Carlberg. Excel 2002:The complete Reference(M). Beijing:China Machine Press，2001，369~451

3 Charles. Stone. A Course in Probability and Statistics. Beijing: China Machine Press， 2003，628~672.

4 陈魁应用概率统计北京：清华大学出版社，2003，262~301.

第8篇：正交实验设计范文

【关键词】课程改革 程控交换技术 实践教学 考核方式

【中图分类号】TN916 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2012）05-0029-02

随着现代通信技术和网络技术的日新月异，要求交换技术不断地变革和发展，使得交换系统己从过去单一的功能接续转变成为集电路交换、分组交换、ATM交换、IP交换和光交换等功能于一体的多功能交换设备。

《程控交换技术》课程是通信工程专业的专业必修课程（部分学校的电子信息工程专业也作为必修课开设），主要讲授程控交换机的软硬件组成和工作原理。随着计算机技术和互联网技术的飞速发展，目前交换机系统正逐渐融合云计算和物联网等先进技术。因此，在课程教学的过程中，就不能单一的依赖课堂，而要从理论和实践两个方面来介绍课程的特色、应用及发展方向，从根本上激发学生对该课 程的兴趣，以提高教学质量，改进教学效果。

本校从多方面对程控交换技术课程进行了深入广泛地教学改革：借助多媒体改革传统的教学模式，激发学生的学习兴趣；改革实验方法，提高实验效果；增设课程设计，提高学生的设计能力；借助生产实习，推动学生顺利就业；改革考核方式，以提高教学质量。通过一系列的教学改革，实践证明该课程的教学改革是有效的。

1.借助多媒体教学 激发学生的学习兴趣

《程控交换技术》课程理论部分抽象、难懂，例如很多学生很难理解时间和空间的交换过程，为了不使学生吃夹生饭，除了利用传统教学方法的优势外，我们还充分采用了多媒体现代教学手段。例如利用FLASH来演示TST网络（图1）的交换过程，使得枯燥抽象的内容变得更形象、生动而易于理解。

另外，很多学生对交换机配置和信令部分的知识不能理解，为了避免“纸上谈兵”，考虑到中国电信衡阳分公司捐赠我校一台退网的ZXJ10交换机，我们引进了中兴公司的ZXJ10交换机仿真软件（图2）来充实课堂教学，将抽象的概念感性化，以形象生动的图像、动画，来展示理论内涵。该软件含有虚拟机房和虚拟后台两个软件。通过虚拟机房的“硬件观察”可以帮助学生观察设备硬件，掌握设备结构细节，对设备组成有更直观、更全面的认识；可以在虚拟后台中进行信令跟踪（图3），使学生更直观的掌握七号信令的知识。

2.改革实验方法 提高实验效果

我校《程控交换技术》采用的是“现代通信系统综合实验平台”，由一个平台和四块实验卡（通信原理实验卡、锁相技术实验卡、程控交换实验卡和光纤通信实验卡）组成。因为该实验系统功能丰富，每学期承担的实验项目自然就会很多，分布的时间也几乎占满整个学期，因此实验系统的维护工作量就会很大，长此以来，实验系统的性能已经变得越来越差。因此，我们将学生分成小组（2-3人组成一个小组）的形式，并要求学生务必先做好实验的预习工作。学生进入实验室的首要任务就是根据自己所学的知识，在老师的指导下，去判断实验系统是否有故障，并判断故障的位置，然后上报指导老师，排除故障然后进行实验。另外，为了防止个别学生恶意破坏实验系统，我们还要求学生登记使用情况，如果出现故障，则采用倒查的方法追查相关责任人，并要求他们在老师的指导下恢复实验系统正常工作。如此一来，虽然看起来好像加重了学生的负担，但是大大地提高了实验效果和实验效率。例如EC0为初始控制输出，若电路检测出可识别的单音对，则此端即变为高电平，若无输入信号或连续失真，则EC0返回低电平，也就是说如果高、低频组信号同时被检测出来，便在EC0输出高电平作为有效检测DTMF信号的标志；如果DTMF信号消失，则EC0即返至低电平。学生通过对该管脚的检测的同时也加深对MT8870芯片功能的理解，进一步加深对DTMF接收器的功能理解，学生完成实验节约了大约1/3的时间。

3.增设课程设计 提高学生的设计能力

考虑到实验箱开设的实验多数都为验证性，实验内容上存在很大的局限性，无法达到提高学生电路设计能力的教学目的。根据《程控交换技术》课程的特点，即主要是讲述数字程控交换机，而数字程控交换机的硬件多为数字电路，这些电路大都可以用CPLD/ FPGA来实现，又考虑到Altera公司的大学计划可免费提供教学版的开发软件，它具有波形输入、电路图输入和文本输入等多种设计方法。故本校增设了《程控交换技术》课程设计，以提高学生的软硬件设计能力。

在课程设计开展的过程中，首先引导学生利用MaxplusII或者quartusII进行主要功能电路的仿真，使学生真正理解各功能电路的原理和功能；然后引导学生利用CPLD/ FPGA等常用芯片设计硬件电路，以提高学生的整体设计能力。我们的做法是让学生先去查找资料，熟悉各硬件电路，并利用单片机和CPLD/ FPGA来搭建实际电路，然后再教学生利用MaxplusII软件进行仿真，使学生真正理解各硬件电路的原理和功能；另外，我们还可以利用quartusII软件来设计各种类型的时间表，使学生对程控交换机的软件学习也能达到一定的效果。

另外，所有课程设计都采取全开放形式开展，并根据设计项目的工作量大小和难易程度确定设计验收时间，部分内容如表1所示。

表1程控交换技术的课程设计安排

为了提高学生的积极性，动员学生参加学校组织的“圆融”电子设计竞赛（其目的主要为“索尼杯”选拔人才）和 “索尼杯”大学生电子设计竞赛，学生也能够将所学知识全部融入到电子设计竞赛中去。在2009年暑假举行的第九届“索尼杯”大学生电子设计竞赛中，本校电子信息专业的一组学生获得了全国一等奖。

4.借助生产实习 推动学生顺利就业

为了提高学生的实际动手能力、让学生真正接触工程实际，本校采用“校内校外相结合”的方案安排生产实习，也即一方面安排学生到中国电信、中国移动和中国联通的机房和基站参观实习，并且邀请一些中国电信、中国移动和中国联通资深工程技术人员来校讲学；另一方面还利用中国电信衡阳分公司捐赠给我院的一套退网设备组建了一个程控交换实习平台（图4）。

该实习平台除了可以开设程控交换技术的资源配置、信令跟踪、状态查询、信号检测和通话计费等项目外，还可以开设计算机网络技术和光纤通信技术等课程的相关项目，有利于学生系统地掌握专业知识。由于该平台十分近似于商业运营平台，所以学生通过实习，一方面能够更好地掌握课本上所学的理论知识；另一方面能够掌握交换机的一些操作规程，为学生的就业打下坚实的基础。

5.改革考核方式 以提高教学质量

由于生产实习和课程设计是独立的考查课程，它们的成绩认定主要看实习（设计）过程、效果和报告，由于在各类评估中专家们均要审查实习（设计）的报告，我们严格规范了实习（设计）报告的格式，并认真批阅报告，将成绩的比例设置为2：4：4。而《程控交换技术》课程是考试课程，为了提高教学效果和考试的公平性，我们采用“考教分离”的方式，即试卷由试题库按要求随机选题。因实验学时较少，而将实验的考核内嵌在课程考核内，故最终成绩由期末考试、实验和平时表现三部分组成，它们各自占的比例为7：2：1。这样更能全面和客观地反映学生的学习情况。

6.结束语

《程控交换技术》是一门比较抽象、不易理解的课程，通过全方位的课程改革，借助多媒体改革传统的教学模式，改革实验方法，借助课程设计、生产实习，改革考核方式，以提高教学质量，并通过对06、07两届学生的实施，取得了显著效果，受到了学生和用人单位的好评；同时我们也正在将《程控交换技术》课程申报校级和省级精品课程。

参考文献：

[1] 李天松，周海燕.“程控交换技术”课程教学探索[J].电气电子教学学报.2009.9，54～56

[2] 宋万杰，罗丰，吴顺军.CPLD技术及其应用[M].西安:西安电子科技大学出版社.1999

第9篇：正交实验设计范文

关键词：自然交互;可用性;易用性

从古至今人类的发展进步的主要方式就是效仿自然中的动物或植物中得到灵感，汲取经验和技能。人类在长期的发展实践中将这些技能、经验逐渐转化为自身的本领并且不断的将这些本领深化发展。人类通过自然相通的信息，本能地发出自我预警。例如，在危险或紧急情况发生的时候动物会以特有方式的叫声发出提示。人类从中得到灵感，用警笛声警报。通过这样的方式避免认知负担、减少学习成本，更容易被人们所理解、接受。但是随着科技的发展，现代的科技的交流语言和方式对于大多数用户还是个巨大经验技能挑战，正如市面上的使用频繁的铁路自助终端服务设备，用户如何能够进行顺利正确的操作仍然是个困难的任务。为了能够与复杂专业的现代设备进行顺利的人机交流，用户被迫学习专业性强的知识技能，大大增加了学习成本降低了用户的使用体验。因此，回归自然便成为了设计师们对人机交互设计的新趋势。

1 相关概念的界定

（一）自然交互设计的概念

自然交互的概念共包含了两种的含义。

第一种含义是指用户与设备间的实际物理性的交互方式。例如数字序列信息交互、图像信息判断、肢体语言和语音控制交互等交互方式为主要的人机交互方式。在这里，图像交互、动作表情手势控制和声音识别、触觉交互，都属于自然交互方式的研究范畴。不言而喻，人与终端设备之间的交流方式除了数据交互之外其他都属于自然的交互方式。然而在人与设备的细节交互操作过程中，人机交互方式设计不能完全成为一种自然的交互方式，这对自然交互方式的含义就有了另外一种定义。即以用户为中心的自然交互方式，通过对用户的使用体验研究并运用各种科技知识及交互技术，使使用者根据自身的生活习惯和掌握的知识与交互设备进行自然的信息交流。或用户通过日常的认知习惯能够在最短时间内学习和掌握基本的使用方法。简而言之就是能使用户与设备之间达到自然顺畅交流的交互方式。

心理学认为，学习是基于经验而导致的行为或是与行为潜能相对一致的变化过程。学习速度和成功或失败主要起决定因素的是学习行为和使用者的生活经历和习惯匹配程度。因此用户的行为方式就是自然交互研究的重点。

（二）什么是交互性

交互性是一个相对宽泛的概念，应用在不同的范畴内意义不尽相同。交互性设计主要用于电脑和数字多媒体领域，接下来我们主要针对人机交互和一些相关的概念进行阐述：

（1）人机交互（Human-Computer Interaction， 简写HCI）：是主要研究设计、评价和实现供用户使用的交互计算系统以及有关这些现象进行研究的科学。

（2）人机界面（Human-Computer Interface，简写HCI）：是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分。

自助终端服务设备的界面交互性设计是一门新兴的艺术设计学科，近来随着自助终端设备在生活中的普遍应用进而发展迅速。界面交互性设计的优劣直接影响着用户使用操作的兴趣和人机交互效果。以用户为中心的界面交互性设计理念忠于用户感受，更多考虑用户如何能够顺利完成下一操作目标进行优化界面的交互性设计，而不是单方要求用户去为了适应交互性设计者的想法而改变用户最本能的使用习惯。

2 铁路自助终端设备交互设计的原则

对于用户来说，有用性应该是自助终端设备的交互设计首要原因，它所提供的功能操作、信息输入提供给用户有用的知识信息就像一本专业书籍一样，成为用户工作或生活当中必不可少的一分子[1]。不论面对什么层次的服务用户，用户都可以自如的应用所掌握的生活中的常识顺利完成人机交互任务。同时用户只能通过使用这些输入操作功能才可以获得具有实用价值的结果[2]。它的交互设计原则包括以下四个方面：

（1）界面交互性设计风格统一

应用程序内部一致、设计图标信息与功能一致、界面整套交互性设计风格一致统一。力求与用户的生活中所熟悉的知识、经验和技能相一致。例如：统一的名称术语，一致的图标设计风格，这样做的目的可以使用户应用设备时利用自己已掌握的常识及已形成的生活习惯凭借经验迅速识别信息，提高设备界面交互性设计的高效性和易用性。

（2）界面信息设计少而精

如何减轻用户的短期记忆负担：降低用户的学习成本和时间？避免用户完成多个交互任务的同时存储太多复杂的应用信息等。界面信息设计精炼可以提升用户在使用设备时的操作成就感，避免因为操作失误率所带来的不愉悦[3]，增强使用中的自信心，从而实现高效愉悦率。

（3）及时的信息反馈

提供及时可靠的反馈信息。反馈信心要与当前的操作情况相一致，并且要向用户精准详细的指示出所有安全问题、出错位置、系统反馈延迟、操作成功与否、操作完成等信息。针对操作完成信息要给出连续、清晰、完整的反馈信息。例如：用户在进行人机交互的过程中，要有及时合理的对话指示框给用户，精确的标注出操作流程的开始、中间进行中和操作任务结束;在许多现有的自助终端服务设备的文本消息的任务流程设计都是非常优秀的例子。

（4）高度的容错性

提供错误预防和纠错、报错功能。在物理键盘上，重要控件，按键放置松散有度，从而可以有效的减少错误输入的发生;在电子触摸屏幕上，避免主要常用功能的控件设计过小或其控件之间排列过于拥挤;对于非法输入及时做出修正的反馈信息提示或标注错误内容，输入错误修正后反馈信息提示消失;允许用户在系统操作途中，行使临时撤销操作这样可以让使用者切身体验到系统的反应迅速性和强大的系统操作性;对人机交互过程中的每个时期使用者都掌握绝对的控制权力，并且对于在使用中出现的各种突发状况用户都有随时监控和修正的能力。

3 自然交互方式在铁路自助终端服务设备界面交互性设计中的应用优势

在现代社会，人类文明高度发达，我们的衣食住行都离不开与先进的科学技术，然而，人们在享受科学技术带来的挑战的生活方便和快捷方式也面临着我们的专业技能的技术。例如，用户购买了一款家用电子产品，要避免使用操作失误损伤产品，用户第一件要做的事就是阅读使用说明书，否则将无法使用设备并且进行正确的操作。但是对很多用户，即便阅读了一本复杂厚重的说明书，还是无法进行正确操作，仍然无法顺利正确的完成任务。此时，回归自然交互设计便成了解决这一难题的不二法宝。

自然交互方式的设计概念在潜移默化中已经渗透到了一些自助终端服务设备中，在对铁路自助终端服务设备的进行人机交互设计时，必须遵循以用户为中心的设计理念。界面的交互设计方式应具有简单、易用、可用性强的特点。为了实现这些特性的成功与否在很大程度上取决于设备界面的交互性设计操作方式与的基础，生活经验与用户的生活方式行为习惯匹配程度。将自然交互中的信息图像识别、语音识别、手势控制甚至动作行为控制等一系列的交互方式融入到铁路自助终端服务设备的交互设计中，丰富了人机交互方式和途径，即使缺乏电脑经验的用户也可以通过语音控制来顺利完成人机交互任务;自然交互设计更遵循人的本能，依据人在长时间的社会生活中所积累的生活经验及技能，提高设备的易用性和可用性。

4 结论

在科技现代化的生活里，铁路自助终端服务设备在铁路售票服务中所占的位置的作用越来越重要。由于我国界面交互性设计起步晚，发展研究目前也只是处于初级阶段，随着市场上自助终端服务设备在各行各业的普遍应用和发展，题录自助终端服务设备作为现代信息的重要科技产品，必将成为人们日常生活中必不可少的重要组成部分。因此，拥有巨大消费群体的铁路自助终端服务设备迫切需求基于自然交互方式的界面交互性设计，来改善现状。而视线跟踪、语音识别、手势输入、感觉反馈等交互技术的发展，使得现在的交互设计研究已经不再局限于单通道的交互行为，以自然行为为基础的界面交互性设计研究顺应了交互设计的发展趋势。眼球移动跟踪，语音识别，手势输入，感官反馈等交互技术的发展，让交互设计的研究不再局限于单一的方式。在界面的交互性设计中，自然行为交互设计研究更加符合交互设计的发展趋势。

用户对于交互产品的情感诉求反映了用户对铁路自助终端服务设备界面交互性情感体验的要求。在自助终端服务设备的界面交互性设计中，应用自然化的交互方式将极大的提高界面的感性价值并使其发挥应有的重要作用。用户体验是一种感性体验，用户本身也是一种情感占主导地位的生物。想要用户在体验当中最大程度的发挥主观能动性，得到优质的体验，就应该充分调动用户的身体感官，从而有机会最大降低系统模型和用户模型之间操作效果差异，为更好的人机交互设计寻找更大的突破。

自然的交互方式，是以认同用户自身的感受为研究方向，操作方式更容易被用户理解也更容易让用户以此来向产品传递信息。自然交互方式将数字媒体世界中犹如夜空遥不可及的行星一样的数列层序，化繁为简的形象带到物理世界当中，拉近了两者之间的距离，从而使交互变得趋于自然化。好的交互设计是遵循以用户为中心的设计理念。心理学认为，学习是基于经验而导致的行为或是与行为潜能相对一致的变化过程。而自然交互研究的重点就是用户的行为方式。以自然用户界面为代表的自然交互方向，是人类追求与环境更加和谐相处的需求以及对自身需求的反思共同作用的结果。将自然交互融入到铁路自助终端服务设备的界面交互设计中，同时又严格遵循自助终端的交互设计原则，这样有效的将人机交互方式更加的符合人的认知度和本能反应，并且大幅度提高了设备的可访问性。

参考文献：

[1]马佳琦.基于隐喻的手持移动设备交互设计研究[J].北京邮电大学，2010.

[2]孙传祥.基于自然交互方式的移动终端产品交互设计研究[J]. 山东大学.